Какое будущее ожидает нашу галактику?

Занятие по физике №61 № п/п-4 Группа 3АБ Дата проведения: 18.05.21г.

Тема: Млечный путь – наша Галактика. Галактики.

Выполненные задания отправлять на электронную почту: tatiefremenko@yandex.ua

или страницу вКОНТАКТЕ - https://vk.com/id592773352

Индивидуальные консультации, оценивание устных ответов по тел.:

0660627421, 0721813966 Ефременко Т.А.

Домашнее задание: прочитать §106, стр.394, §107, стр.397, ответить на вопросы, решить задания ЕГЭ стр.396, 401 «Физика 11кл.». Срок выполнения: до 21.05.21г.

Видеофильм просмотреть по ссылке: https://yandex.fr/video/preview/?text=Млечный+путь+–+наша+Галактика.+Галактики.&path=wizard&parent-reqid=1610039215028568-1682131749606919010800107-production-app-host-vla-web-yp-66&wiz_type=v4thumbs&filmId=9699223598341600162&url=http%3A%2F%2Fwww.youtube.com%2Fwatch%3Fv%3DGV2f59SZ7IU

https://yandex.fr/video/preview/?filmId=2961704818464060407&text=+Галактики.

https://yandex.fr/video/preview/?text=галактики.виды%20галактик&path=wizard&parent-reqid=1610040231625705-1565860005974916341800107-production-app-host-vla-web-yp-277&wiz_type=v4thumbs&filmId=5755187288443076512

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Млечный путь - наша галактика

Везде в мире действуют одни и те же законы гравитации. Так почему бы не существовать другим системам с похожим строением среди звезд? Серебристую полосу, которая тянется по небесной сфере и образует кольцо, назвали Млечным Путем. Наблюдая Млечный Путь (см. рис. 1) в телескоп, Галилей установил, что он состоит из колоссального множества не очень ярких звезд.

Рис. 1. Млечный Путь

В начале ХХ века было установлено, что те звезды, которые наблюдаются невооруженным глазом или в небольшой телескоп, образуют в пространстве огромный сплюснутый звездный диск. Толщина этого диска составляет несколько тысяч световых лет, а диаметр превышает толщину более чем в десять раз. Этот диск является главным компонентом нашей звездной системы – Галактики (от греческого слова γᾰλαξίας – «молочный»). Наше Солнце (и мы) находимся внутри звездного диска и поэтому вблизи его плоскости видим много далеких звезд, которые сливаются для нас в светящуюся полосу Млечного Пути (см. рис. 2). В направлении, перпендикулярном плоскости галактического диска, звезды расположены менее плотно.

Рис. 2. Расположение Солнечной системы в галактическом диске

Полоса Млечного Пути имеет очень неровные очертания, и внутри светлой полосы есть и более яркие, и темные участки. Это объясняется наличием в Галактике скоплений межзвездной пыли, которые могут поглощать видимый свет. Наблюдения, проводимые в менее поглощаемых пылью инфракрасных лучах, позволили увидеть плотное центральное ядро Галактики и понять ее структуру.

В структуре Млечного Пути выделяют три основные части: диск диаметром около 30 килопарсеков (около 100 000 св. лет), центральное сферическое вздутие балдж (англ. bulge) и гало, которое простирается на большое расстояние. Большая часть газовых и пылевых облаков вместе с множеством ярких молодых звезд лежат в плоскости диска, собираясь в спиральные рукава, отходящие от центра. Наша Солнечная система располагается в средней части спирального рукава в 8 килопарсеках от центра Галактики. Плоскость орбит планет Солнечной системы образует угол приблизительно 60° с плоскостью галактического диска, поэтому полоса Млечного Пути на небосводе наклонена к плоскости эклиптики (см. рис. 3).

Рис. 3. Структура Млечного Пути

Балдж имеет форму огромного немного уплощенного мяча для регби, в нем велика плотность звезд. Гало имеет форму, близкую к сферической, и содержит ряд шаровых звездных скоплений, отдельные звезды и горячий газ. Плотность вещества в гало ниже, чем в диске и балдже, а простирается оно дальше диаметра диска.

Солнце движется вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Но ввиду огромных размеров Галактики полный оборот Солнце совершает за 220 миллионов лет, т. е. за время, прошедшее с гибели динозавров (65 миллионов лет назад), Солнце прошло только около четверти своей орбиты.

Галактика выглядит (с учетом разницы в размерах) как Солнечная система в процессе ее формирования. В частности, подобно тому как дальние от Солнца планеты совершают оборот за большее время, чем ближние, внутренние части Галактики обращаются быстрее внешних. Это приводит к образованию спиральных рукавов и объясняет их изогнутую форму.

Полное число звезд различных масс, возрастов и светимостей в Галактике оценивается в несколько сотен миллиардов, лишь небольшая их часть доступна наблюдению даже в крупные телескопы. Расстояния между соседними звездами в диске Галактики велики (световые года): например, от Солнца до ближайшей соседней звезды расстояние 4,2 световых года. Вблизи ядра Галактики плотность звезд значительно больше, чем в диске, и расстояния между звездами меньше в 1500 раз. В центре Галактики в кубе со стороной 1 световой год может быть более 10 млн звезд, на краю диска звезды встречаются значительно реже. Но явной внешней границы у Галактики нет.

Кроме звезд, в Млечном Пути есть много межзвездного вещества в виде облаков газа и пыли (около 15 % массы звезд). Газ и пыль распределены в Галактике неоднородно, нередко в ней наблюдаются темные облака пыли, которые заслоняют находящиеся за ними звезды. Но если эти плотные облака освещены яркими звездами, то они отражают этот свет и становятся видимыми. Если вблизи или внутри газопылевого облака имеется горячая звезда, то она возбуждает свечение газа, и мы видим светящуюся туманность.

Мы уже говорили о том, что в газопылевых туманностях возникают молодые звезды. Кроме газа и пыли, наша Галактика заполнена космическими лучами – релятивистскими частицами: протонами, электронами и ядрами атомов других химических элементов, которые двигаются со скоростями, близкими к скорости света. Под действием магнитного поля, которое тоже пронизывает всю Галактику, космические лучи двигаются по запутанным траекториям, не покидая Галактику.

Массу Галактики оценили по тому гравитационному притяжению, которое удерживает ее звезды. Оказалось, что масса той части Галактики, которая лежит внутри орбиты Солнца, составляет не менее 10¹¹ M_Солнца, а общая масса Галактики 2∙10¹² M_Солнца. Результаты, полученные по закону всемирного тяготения, озадачили астрономов. Потому что, когда они сложили массы всех видимых звезд и межзвездного газа, то получили существенно меньшую величину. И если масса всего, что мы видим, меньше массы, которая есть по расчетам, то остается предположить, что остальную массу мы не видим, ее можно обнаружить только по ее гравитационному воздействию. Материю, обладающую такими свойствами, назвали темной материей.

Темная материя – это одна из тайн в современной астрономии. Свойства темной материи изучать очень трудно, так как она действительно темная – не излучает ничего. Ученые могут только приблизительно оценить ее массу в Млечном Пути и в других галактиках. Неопределенность природы темной материи и общей массы Галактики затрудняет подсчет числа звезд в Млечном Пути. Остается только предположить, что средняя масса звезды близка к массе Солнца, тогда общее их число в Галактике будет около 10¹¹ (ста миллиардов). Каждая из них движется по своей орбите под действием суммарного гравитационного поля остальных звезд, межзвездной пыли и газа и темной материи.

Не все звезды Галактики имеют одинаковый возраст, некоторые звезды образуются прямо сейчас. Возрастом Галактики можно считать возраст (то есть время, прошедшее с рождения) самых старых звезд – это около 13 млрд лет. Возраст звезды, как мы говорили ранее, определяют по ее светимости, массе, типу. Таким образом, за 13 млрд лет образовалось 100 млрд звезд, т. е. каждый год в Галактике рождается 7–8 звезд. Правда, темп образования звезд в молодой Галактике, вероятно, был выше.

Поговорим о звездах, которые входят в состав Галактики. Больше всего в Галактике тусклых, холодных красных карликов – звезд, лежащих на главной последовательности H-R диаграммы внизу, их массы 0,1–0,5 солнечных масс. Средняя масса звезд близка к массе Солнца (немного меньше). Звезд с массой более 30 солнечных в Галактике очень немного. Самые распространенные в Галактике звезды – красные и коричневые карлики – мы почти не видим, так как они очень тусклые. Ночной небосвод заполняют в основном редкие, но яркие гиганты, которые видны, даже если они расположены очень далеко от нас (см. рис. 4).

Рис. 4. Классификация звезд. Диаграмма Герцшпрунга – Рессела

Условно звезды Галактики делят на две популяции (иногда их называют двумя населениями). Звезды разных популяций отличаются: положением в Галактике, характером движения, составом, цветом и возрастом (см. рис. 5).

Рис. 5. Параметры звезд Галактики разных популяций

Не следует считать разделение на две популяции точным, оно является модельным упрощением, не все звезды можно уверенно отнести к одной из популяций. Существует гипотеза, что звезды популяции II образовались в период начального коллапса, а звезды популяции I образовались позже и продолжают образовываться сейчас.

В Галактике существуют скопления (кластеры) звезд, которые удерживаются на сравнительно близких расстояниях друг от друга взаимным притяжением. Обратите внимание: кластеры – это не созвездия. В созвездиях звезды только кажутся близкими на небосводе, а в реальности могут располагаться очень далеко друг от друга. Звезды в таких скоплениях связаны не только пространственной близостью, но и общим происхождением и движением, как единое целое. Кроме звезд скопления содержат облака газа и пыли. Выделяют два основных типа скоплений: рассеянные и шаровые (см. рис. 6).

Рис. 6. Отличия звездных скоплений Рис. 7. Скопление Плеяды в созвездии Тельца

На рис. 7 вы видите рассеянное скопление Плеяды в созвездии Тельца. В хорошую погоду Плеяды видны невооруженным глазом.

Рис. 8. Шаровое скопление M15 в созвездии Пегаса (снимок сделан космическим телескопом Хаббл)

Расчеты показывают, что в центре Млечного Пути есть черная дыра. Центр Галактики наблюдать нелегко, так как видимый свет располагающихся вблизи центра объектов загораживают пылевые облака. Поэтому для наблюдения за центром Галактики используют другие диапазоны излучения (радио, инфракрасный, рентгеновский), которые позволили заглянуть за пылевые облака. Обнаружилось, что на расстоянии около 10 а.е. (это размер орбиты Юпитера) вокруг центра Галактики звезды вращаются со скоростью много сотен километров в секунду. Удержать такие быстрые звезды на орбитах может только очень сильное гравитационное поле, которое может создать только объект с массой, равной 4 миллионам солнечных. Но такого объекта астрономы в центре Вселенной не видят. Следовательно, это черная дыра.

Вероятно, эта черная дыра образовалась от слияния множества черных дыр массой около 10 солнечных, являвшихся остатками взрывов сверхновых. Как мы говорили ранее, такими взрывами заканчивается эволюция массивных звезд. Образовавшаяся в центре Галактики черная дыра продолжает втягивать в себя межзвездное вещество и увеличиваться. Огромные ускорения поглощаемых черной дырой объектов вызывают интенсивное рентгеновское излучение, обнаруживаемое в центре Галактики.

Как и отдельные звезды, Галактика постоянно меняется, и можно сделать предположения о ее эволюции. Межзвездный газ постоянно используется при образовании звезд. И хотя при гибели звезд часть их вещества возвращается в пространство в виде газопылевых облаков, но звездный ветер (аналогичный солнечному) и такие остатки сверхновых, как белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, из этого процесса исключаются. Поэтому в Млечном Пути уменьшается количество межзвездного вещества для образования звезд.

Галактики

Галактикой называют крупные формирования звезд, газа, пыли, которые удерживаются вместе силой гравитации. Эти крупнейшие соединения во Вселенной могут различаться формой и размерами. Большая часть космических объектов входит в состав определенной галактики. Это звезды, планеты, спутники, туманности, черные дыры и астероиды. Некоторые из галактик обладают большим количеством невидимой темной энергии. Из-за того, что галактики разделяет пустое космическое пространство, их образно называют оазисами в космической пустыне.

Таблица характеристик основных видов галактик

	Эллиптическая галактика	Спиральная галактика	Неправильная галактика
Сфероидальный компонент	Галактика целиком	Есть	Очень слаб
Звёздный диск	Нет или слабо выражен	Основной компонент	Основной компонент
Газопылевой диск	Нет	Есть	Есть
Спиральные ветви	Нет или только вблизи ядра	Есть	Нет
Активные ядра	Встречаются	Встречаются	Нет
Процент от общего числа галактик	20%	55%	5%

Подробнее на: http://kvant.space/galaktiki

Взаимодействие галактик

Не менее интересным для взора ученых представляется вопрос о взаимодействии галактик как компонентов космических систем. Не секрет, что космические объекты находятся в постоянном движении. Галактики не исключение из этого правила. Некоторые из видов галактик могли бы стать причиной столкновения или слияния двух космических систем. Если вникнуть, какими представляются данные космические объекты, более понятными становятся масштабные изменения как результат их взаимодействия. Во время столкновения двух космических систем выплескивается гигантское количество энергии. Встреча двух галактик на просторах Вселенной – даже более вероятное событие, чем столкновение двух звезд. Не всегда столкновение галактик заканчивается взрывом. Небольшая космическая система может свободно пройти мимо своего более крупного аналога, изменив только незначительно его структуру.

Таким образом, происходит образование формирований, схожих внешним видом на вытянутые коридоры. В их составе выделяются звезды и газовые зоны, часто формируются новые светила. Бывают случаи, что галактики не ударяются, а только слегка соприкасаются друг с другом. Однако даже такое взаимодействие запускает цепочку необратимых процессов, которые приводят к огромным изменениям в структуре обеих галактик.

Какое будущее ожидает нашу галактику?

Как предполагают ученые, не исключено, что в далеком будущем Млечный путь сумеет поглотить крохотную по космическим размерам систему-спутник, которая расположена от нас на расстоянии 50 световых лет. Исследования показывают, что этот спутник имеет продолжительный жизненный потенциал, но при столкновении с гигантским соседом, вероятнее всего, закончит отдельное существование. Также астрономы предрекают столкновение Млечного пути и Туманности Андромеды. Галактики движутся друг другу навстречу со скоростью света. До вероятного столкновения ждать примерно три миллиарда земных лет. Однако будет ли оно на самом деле сейчас – тяжело рассуждать из-за нехватки данных о движении обеих космических систем.

Все галактики от Земли находятся на огромном расстоянии. Невооруженным глазом можно увидеть только три галактики: Большое и малое Магеллановы облака и Туманность Андромеды. Все галактики сосчитать нереально. Ученые предполагают, что их количество составляет около 100 миллиардов. Пространственное расположение галактик неравномерно – одна область может содержать огромное их количество, во второй вовсе не будет ни одной даже маленькой галактики. Отделить изображение галактик от отдельных звезд астрономам не удавалось до начала 90-х годов. В это время насчитывалось около 30 галактик с отдельными звездами. Всех их причисляли к Местной группе. В 1990 году состоялось величественное событие в развитии астрономии как науки – на орбиту Земли был запущен телескоп Хаббла. Именно эта техника, а также новые наземные 10-метровые телескопы дали возможность увидеть значительно большее число разрешенных галактик.

На сегодняшний день «астрономические умы» мира ломают голову о роли темной материи в построении галактик, которая проявляет себя лишь в гравитационном взаимодействии. Например, в некоторых больших галактиках она составляет около 90% общей массы, в то время как карликовые галактики могут вовсе ее не содержать.

Эволюция галактик

Ученые считают, что возникновение галактик – это естественный этап эволюции Вселенной, который проходил под воздействием сил гравитации. Приблизительно 14 млрд. лет тому назад началось формирование протоскоплений в первичном веществе. Далее, под воздействием различных динамических процессов состоялось выделение галактических групп. Изобилие форм галактик объясняется разнообразием начальных условий в их формировании.

На сжатие галактики уходит около 3 млрд. лет. За данный период времени газовое облако превращается в звездную систему. Образование звезд происходит под воздействием гравитационного сжатия газовых облаков. После достижения в центре облака определенной температуры и плотности, достаточной для начала термоядерных реакций, образуется новая звезда. Массивные звезды образованы из термоядерных химических элементов, по массе превосходящих гелий. Данные элементы создают первичную гелиево-водородную среду. Во время грандиозных взрывов сверхновых звезд образуются элементы, тяжелее железа. Из этого следует, что галактика состоит из двух поколений звезд. Первое поколение – это наиболее старые звезды, состоящие из гелия, водорода и очень небольшого количества тяжелых элементов. Звезды второго поколения обладают более заметной примесью тяжелых элементов, поскольку они формируются из первичного газа, обогащенного тяжелыми элементами.

В современной астрономии галактикам как космическим структурам отводится отдельное место. В деталях изучаются виды галактик, особенности их взаимодействия, сходства и отличия, делается прогноз их будущего. Эта область содержит еще много непонятного, того, что требует дополнительного изучения. Современная наука решила много вопросов относительно видов построения галактик, но осталось также много белых пятен, связанных с образованием этих космических систем. Современные темпы модернизации исследовательской техники, разработка новых методологий исследования космических тел дают надежды на значительный прорыв в будущем. Так или иначе, галактики всегда будут в центре научных исследований. И основано это не только на человеческом любопытстве. Получив данные о закономерностях развития космических систем, мы сможем спрогнозировать будущее нашей галактики под названием Млечный путь.

Подведение итогов занятия.

На занятии мы с вами узнали о строении, эволюции и видах галактик, их взаимодействиях.

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 200; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!